2023同濟(jì)大學(xué)數(shù)字鐘-課程設(shè)計(jì)

1、電子電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) PAGE 12同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：易延 趙亞輝姓名:學(xué)號(hào)：班級(jí):機(jī)械目錄設(shè)計(jì)目的3設(shè)計(jì)任務(wù)與要求32.1、設(shè)計(jì)任務(wù)3 2.2、根本要求3設(shè)計(jì)任務(wù)分析43.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)4 3.2、工作原理4電路設(shè)計(jì)局部54.1、秒脈沖發(fā)生器5振蕩器設(shè)計(jì)54.1.2 振蕩器參數(shù)確定6分頻器設(shè)計(jì)74.2、秒分時(shí)計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)74.2.1秒分計(jì)數(shù)器74.2.2時(shí)計(jì)數(shù)器84.3、譯碼顯示電路設(shè)計(jì)9 4.4、校時(shí)電路設(shè)計(jì)10 4.5、上電復(fù)位電路11 4.6、總體設(shè)計(jì)電路圖12元器件使用說(shuō)明145.1、振蕩器 555定時(shí)器14 NE555的特點(diǎn)14 NE555引腳位配置說(shuō)明14

2、5.2、計(jì)數(shù)器74LS160D155.3、譯碼器74LS48N16電路仿真176.1、振蕩器局部的仿真18 6.2、分頻器局部仿真197、元器件清單198、設(shè)計(jì)總結(jié)219、參考資料21課程設(shè)計(jì)：數(shù)字鐘1、設(shè)計(jì)目的進(jìn)一步掌握電子電路設(shè)計(jì)方法及相關(guān)設(shè)計(jì)軟件使用；學(xué)會(huì)選擇和使用集成芯片和各種元器件，熟悉各類(lèi)器件的引腳安排，掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。掌握電子電路的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試方法。2、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 采用集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)可以顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘。2.2根本要求能直接顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘，要求二十四為一計(jì)數(shù)周期。當(dāng)電路發(fā)生走時(shí)誤差時(shí)，要求電路具有校時(shí)功能。要求電路具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功

3、能，幾點(diǎn)響幾聲。要求電路主要采用中規(guī)模集成電路。要求電源電壓+5伏 +10伏。3、設(shè)計(jì)任務(wù)分析3.1設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)60進(jìn)制、24進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)分秒計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)譯碼顯示電路設(shè)計(jì)操作方面的校時(shí)電路設(shè)計(jì)整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路設(shè)計(jì)上電復(fù)位電路3.2工作原理數(shù)字電子鐘由信號(hào)發(fā)生器、“時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路等組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，本設(shè)計(jì)用由集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，發(fā)出頻率為1KHZ，再經(jīng)過(guò)3級(jí)十分頻3個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器后得到1HZ。將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器采用60進(jìn)制

4、計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖信號(hào)，該信號(hào)將作為“分計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖?！胺钟?jì)數(shù)器也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器采用24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)一天24h的累計(jì)。譯碼顯示電路將“時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)經(jīng)七段顯示譯碼器譯碼，通過(guò)六位LED顯示器顯示出來(lái)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路是根據(jù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，然后去觸發(fā)音頻發(fā)生器實(shí)現(xiàn)報(bào)時(shí)。校時(shí)電路是來(lái)對(duì)“時(shí)、分、秒顯示數(shù)字進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖如下:時(shí)顯示器秒顯示器分顯示器時(shí)顯示器秒顯示器分顯示器秒譯碼器分譯碼器時(shí)譯碼器秒譯碼器分譯碼器時(shí)譯碼器時(shí)計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器時(shí)

5、計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器校時(shí)電路校時(shí)電路振蕩器分頻器秒脈沖振蕩器分頻器秒脈沖圖1 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的組成框圖4、電路設(shè)計(jì)局部4.1秒脈沖信號(hào)發(fā)生器秒脈沖信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字電子鐘的核心局部，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量。由振蕩器與分頻器組合產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。 4.1.1振蕩器設(shè)計(jì)一般說(shuō)來(lái)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。本設(shè)計(jì)中采用由集成定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器，經(jīng)過(guò)調(diào)整輸出1000Hz脈沖。電路圖如以下圖所示：圖2 555定時(shí)器振蕩電路 4.1.2 振蕩器參數(shù)確定 555定時(shí)器的脈沖時(shí)間是由于RC充放電確定的。根據(jù)三要素公式： 1 充電過(guò)程的方程式： (2) 充電時(shí)間為： (3) 放電

6、過(guò)程的方程式： 4 放電時(shí)間為： (5) 總時(shí)間為： 6 頻率為： 7首先確定C1=0.1uf，R2=5.1K，需要輸出頻率f=1KHZ，將充放電時(shí)間算出，確定電阻R1。通過(guò)確定R1=4.1K。 4.1.3分頻器設(shè)計(jì)分頻器功能主要有兩個(gè)，一是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，一是提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)，選用三片74LS90進(jìn)行級(jí)聯(lián)，74LS90是二五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因?yàn)?55定時(shí)器產(chǎn)生1KHZ的信號(hào)，第一片的Q3輸出100HZ，第二片的Q3輸出10HZ，第三片輸出1HZ。經(jīng)過(guò)3次1/10分頻后正好是1HZ，為標(biāo)準(zhǔn)的秒輸入脈沖。電路圖如以下圖所示：圖3 分頻器電路4.2秒、分、時(shí)計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)秒、分計(jì)數(shù)器

7、為60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，小時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)這兩種模數(shù)的計(jì)數(shù)器采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS160D構(gòu)成。4.2.1秒、分計(jì)數(shù)局部設(shè)計(jì)分和秒一樣，都采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)選74LS160D作為計(jì)數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計(jì)成10進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置6進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。兩片74LS160D按反響清零法串接而成。秒計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，輸出脈沖除用作自身清零外，同時(shí)還作為分計(jì)數(shù)器的輸入脈沖CP1。當(dāng)分秒計(jì)數(shù)局部的個(gè)位接受秒計(jì)數(shù)局部的信號(hào)秒計(jì)數(shù)接受的信號(hào)為振蕩器經(jīng)分頻后輸出的1HZ的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，計(jì)數(shù)滿(mǎn)60后向時(shí)計(jì)數(shù)局部的十位給出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。分秒十位計(jì)數(shù)局部接受個(gè)位的進(jìn)位信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)

8、滿(mǎn)6就想前一級(jí)給出進(jìn)位信號(hào)。當(dāng)十位和個(gè)位計(jì)滿(mǎn)60個(gè)數(shù)后計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)規(guī)律是從005900。設(shè)計(jì)電路圖如圖4。4.2.2時(shí)計(jì)數(shù)局部設(shè)計(jì)時(shí)間計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)為24進(jìn)制計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)選74LS160D作為計(jì)數(shù)器，將一片74LS160D設(shè)計(jì)成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，另一片設(shè)置2進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。既個(gè)位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0100十位計(jì)數(shù)狀態(tài)為Qd Qc Qb Qa = 0010時(shí)，要求計(jì)數(shù)器歸零。通過(guò)把個(gè)位Qc、十位Qb相與后的信號(hào)送到個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的清零端，使計(jì)數(shù)器清零，從而構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)規(guī)律是從002300。設(shè)計(jì)電路圖如圖5。圖4 秒、分計(jì)數(shù)局部電路圖5 時(shí)計(jì)數(shù)局部電路4.3譯碼顯示

9、電路設(shè)計(jì)譯碼電路的功能是將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的數(shù)字，由數(shù)碼管和譯碼器74LS47D組成。74LS47D是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，輸出高電平有效，專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng)LED七段共陽(yáng)極顯示數(shù)碼管。假設(shè)將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的每位輸出分別送到相應(yīng)七段譯碼管的輸入端，便可以進(jìn)行不同數(shù)字的顯示。在譯碼管輸出與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻R=510作為限流電阻。圖6 譯碼顯示電路4.4校時(shí)電路設(shè)計(jì)校時(shí)電路是數(shù)字鐘不可缺少的局部，每當(dāng)數(shù)字鐘與實(shí)際時(shí)間不符時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校時(shí)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤是，需要校正時(shí)間，校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的根本功能。為了電路簡(jiǎn)單，只對(duì)時(shí)和分進(jìn)行校時(shí)。校時(shí)電

10、路要求在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)，在分校時(shí)時(shí)不影響秒和小時(shí)的計(jì)數(shù)。時(shí)校時(shí)電路和分校時(shí)電路都是一致的，校時(shí)脈沖信號(hào)為10HZ脈沖，這樣速度正好適中，適合校時(shí)。方法是控制六十進(jìn)制的時(shí)鐘輸入端CP，使用兩個(gè)三態(tài)門(mén)或者把秒進(jìn)位信號(hào)V2信號(hào)源仿真參加，或者把校分的按鍵信號(hào)J1參加，J2用來(lái)控制校分和計(jì)分切換，由于兩個(gè)三態(tài)門(mén)U10A和U11A的使能端有效電平剛好相反，J2接地時(shí)為校分功能，J2不接地時(shí)為計(jì)分功能。圖7 校時(shí)電路4.5上電復(fù)位電路在計(jì)數(shù)器清零端處接一個(gè)或門(mén)即可。 4.6總體設(shè)計(jì)電路圖元器件使用說(shuō)明5.1振蕩器 555定時(shí)器 5.1.1 NE555的特點(diǎn)只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完

11、成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。其輸出端的供應(yīng)電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格廉價(jià)。5.1.2 NE555引腳位配置說(shuō)明如右圖 NE555接腳圖 Pin 1 (接地) -地線(xiàn)(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始55

12、5的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出

13、能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時(shí)間100 ns NE555的相關(guān)應(yīng)用: NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器Monostable Mutlivibrator及無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。5.2計(jì)數(shù)器74LS160D 74LS160D計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二一五-十

14、進(jìn)制計(jì)數(shù)器，下降沿觸發(fā)，R0(1),R0(2)是清零端，R91，R9(2)是置9端，CPA和QA可組成一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，CPB和QBQCQD組成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；假設(shè)把QA和CPB相連，脈沖從CPA輸入，那么構(gòu)成8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由74LS160D的truth table可以看出，選擇74LS160D可以在數(shù)字鐘進(jìn)位和清零上有極大的方便，不需要其他門(mén)電路輔助就能自己完成進(jìn)位和清零。表1 74LS160D計(jì)數(shù)/復(fù)位真值表表2 74LS160D BCD數(shù)碼順序5.3譯碼器74LS48 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，下面是74LS48的引腳圖和功能表。圖9 74LS48

15、引腳圖表3 74LS48功能表6、電路仿真隨著科技的開(kāi)展，“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為許多設(shè)計(jì)部門(mén)重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過(guò)程的統(tǒng)一的特點(diǎn)。可使設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。仿真軟件有很多，multisim、protues等都可以電路仿真。本設(shè)計(jì)仿真過(guò)程是在multisim平臺(tái)上完成的。課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于MULTISIM提供了實(shí)驗(yàn)室無(wú)法相比的大量的元器件庫(kù)，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)。 6.1 振蕩器局部的仿真6.2分頻器局部

16、仿真7、元器件清單序號(hào)元件名稱(chēng)數(shù)量規(guī)格備注1NE555定時(shí)器1DIP封裝274LS160D6DIP封裝374LS48N6DIP封裝4共陰數(shù)碼管65電阻6516電阻41057開(kāi)關(guān)28導(dǎo)線(xiàn)假設(shè)干9瓷片電容40.1uf1074LS0031174LS20N與非門(mén)41274LS04D非門(mén)1213按鍵21474LS125N三態(tài)門(mén)21574LS126D三態(tài)門(mén)21674LS90D31774LS32或門(mén)1設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)電路過(guò)程中，在multisim軟件中出現(xiàn)了許多各種各樣的錯(cuò)誤，雖然最后經(jīng)過(guò)不斷的修改以及和同學(xué)的討論得到了比較好的解決，但從中卻讓我弄明白了很多東西，很好的理解那句“失敗乃成功之母的含義。其中有一個(gè)

17、問(wèn)題弄的我是焦頭爛額，就是連接好譯碼顯示電路后LED卻不能顯示出數(shù)字，最后查出原來(lái)所選用的譯碼器型號(hào)不同連接方式也不同，74LS48D需要用共陰極接法，74LS47D那么需要用共陽(yáng)極接法。還有就是設(shè)計(jì)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器是各個(gè)計(jì)數(shù)器之間的連接、秒到分間的進(jìn)位問(wèn)題、分到時(shí)之間的進(jìn)位問(wèn)題、校時(shí)電路的連接方式等等問(wèn)題。這次電子電路課程設(shè)計(jì)，也對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的知識(shí)有了更深一步的了解，熟悉了更多不同的數(shù)字芯片，比方74LS90，74LS290,74LS00，74LS48，74LS47，數(shù)碼管等，這為我以后的電路設(shè)計(jì)打了一定的根底。在連接六進(jìn)制,十進(jìn)制,六十進(jìn)制的進(jìn)位及二十四進(jìn)制的接法中,要求熟悉